自動焦点制御ユニット、電子機器、自動焦点制御方法
【課題】対物レンズの切り換えにより生じる光軸ずれを補正し、高速に焦点合わせを行う。
【解決手段】
複数の対物レンズ２から選択された一つの対物レンズ２を介して試料３にレーザ光を照射する第１の発光素子４２と、複数配列された受光素子の一部で試料３からの反射光を受光するラインセンサ４７と、複数配列された受光素子の他の一部にＬＥＤ光を照射する第２の発光素子４９と、第２の発光素子４９の照射領域を複数の受光素子に亘って順次拡大させるスリット部材５０と、ラインセンサ４７を受光素子の配列方向に移動させる移動機構４８と、選択された対物レンズ２が試料３に合焦したときの第２の発光素子４９に照射されている受光素子及び受光光量を選択された対物レンズ２に対応して登録し、再度対物レンズ２を用いる際、登録値からラインセンサ４７の位置を制御する制御部１５を備える。
【解決手段】
複数の対物レンズ２から選択された一つの対物レンズ２を介して試料３にレーザ光を照射する第１の発光素子４２と、複数配列された受光素子の一部で試料３からの反射光を受光するラインセンサ４７と、複数配列された受光素子の他の一部にＬＥＤ光を照射する第２の発光素子４９と、第２の発光素子４９の照射領域を複数の受光素子に亘って順次拡大させるスリット部材５０と、ラインセンサ４７を受光素子の配列方向に移動させる移動機構４８と、選択された対物レンズ２が試料３に合焦したときの第２の発光素子４９に照射されている受光素子及び受光光量を選択された対物レンズ２に対応して登録し、再度対物レンズ２を用いる際、登録値からラインセンサ４７の位置を制御する制御部１５を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査試料と対物レンズとの位置を調整することにより自動的に焦点を制御する自動焦点制御ユニット及び自動焦点制御方法に関し、特に、複数の対物レンズを切り換えて使用する際に、対物レンズに応じて焦点合わせを行うことができる自動焦点制御ユニット、電子機器及び自動焦点制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学顕微鏡や深度測定機等の光学機器の分野において、観察する検査試料に自動的に焦点を合わせるための装置として、オートフォーカス装置が用いられている。
【０００３】
このオートフォーカス装置には、検査試料に対してレーザ光を照射し、このレーザ光が検査試料上で反射してなる反射レーザ光を検出し、この反射レーザ光により検査試料との位置関係を測定し、自動的に焦点を合わせるものがある。このオートフォーカス装置は、フォトダイオード等の光検出器を備え、この光検出器で反射レーザ光を検出する。
【０００４】
このようなオートフォーカス装置が光学顕微鏡等に用いられる場合、レーザ光は、光源から照射され、対物レンズを介して検査試料に照射される。対物レンズを介して照射されたレーザ光は、検査試料上で反射レーザ光となり、再び対物レンズを介して光検出器に照射される。
【０００５】
反射レーザ光は、光検出器上に、検査試料と対物レンズとの距離に応じたスポットを形成する。このオートフォーカス装置が搭載された光学顕微鏡では、反射レーザ光が光検出器上の所定の位置にスポットを形成するように対物レンズを移動させる。これによって、この光学顕微鏡では、焦点合わせが行われる。
【０００６】
顕微鏡等に使用される焦点検出方法としては、例えば、ナイフエッジ法、差動スポットサイズ法、非点収差法、横ずらし法、フーコー法と呼ばれる方法が知られており、その中でもナイフエッジ法を用いた手法が一般的に用いられている。
【０００７】
ナイフエッジ法は、ナイフエッジミラーと２分割受光素子を用いて自動焦点合わせを行う焦点検出手法であり、例えば、図１２に示すように半導体レーザダイオード１０２より出射されたレーザ光をナイフエッジミラー１０５によって光束の約半分程度を遮蔽した後、コリメータレンズ１０６及び対物レンズ１０１を介して検査試料１０３に照射し、検査試料１０３からの反射レーザ光をナイフエッジミラー１０５のミラー面によって２分割受光素子１０４側へ反射させる。２分割受光素子１０４は、対物レンズ１０１が検査試料１０３の表面に対して焦点合わせがなされているときには、反射レーザ光が２分割受光素子１０４を構成する２つの受光部に等量入射するように予め位置決めされている。
【０００８】
検査試料１０３に焦点が合っていない場合、検査試料１０３からの反射レーザ光は、２分割受光素子１０４への入射位置がずれ、２分割受光素子１０４を構成する２つの受光素子からの出力に差が生じる。従って、ナイフエッジ法では、これら２つの受光素子からの出力が等量となる位置に検査試料１０３又は対物レンズ１０１を光軸方向へ移動させることにより、検査試料１０３に対する焦点合わせを実現している。
【０００９】
ところで、近年、ＬＣＤパネルや電子デバイス等は、微細な回路パターンが形成されるとともに、基板の大判化が進み、その製造工程や検査工程では、高速且つ正確に検査対象領域を特定し、焦点合わせを行うことへの要求が高まっている。そこで、顕微鏡による部品検査では、倍率の異なる複数の対物レンズを備え、大判の検査試料に対してアライメントマークの検出時には低倍率の対物レンズを用い、検査試料の所定領域の観察には高倍率の対物レンズを用いるなど、観察部位の位置や状態などにより対物レンズを切り換えて用いるものが提案されている。
【００１０】
しかし、ナイフエッジ法を用いた焦点検出方法においては、対物レンズ１０１を切り換えることにより光軸ずれや色収差が発生した場合、図１３に示すように２分割受光素子１０４に入射する位置がずれてしまうため、対物レンズ１０１毎に２分割受光素子１０４からの出力に補正値を加える等の工夫が必要となる。
【００１１】
また、色収差を補正する手法として、色収差補正レンズを光軸方向に移動させ色収差特性が異なる対物レンズに交換した場合にも合焦誤差を補正できるようにした焦点制御方法も提案されているが、かかる手法では、色収差補正レンズを光軸ずれが発生することなく移動させる手段が必要であり、高精度な組立が要求される。また、光学部品を増やすことで焦点検出装置としてのコストアップに繋がるだけではなく、焦点検出装置の構成が大型化することとなり、従来からの標準的な顕微鏡に対して焦点検出装置を搭載することが困難となってしまう。
【００１２】
【特許文献１】特開平１０−１６１１９５号公報
【特許文献２】特開平１１−２４９０２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明は、対物レンズを切り換えることにより発生する光軸ずれ及び色収差を補正し、高速且つ正確に焦点合わせを行うことができる自動焦点制御ユニット及びそれを備えた電子機器、自動焦点制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決するために、本発明に係る自動焦点制御ユニットは、倍率の異なる複数の対物レンズから選択された一つの対物レンズを介して試料にレーザ光を照射する第１の発光素子と、複数の受光素子が相隣接して配列され、上記複数の受光素子の一部で上記試料からの反射光を受光するラインセンサと、上記複数の受光素子の他の一部にレーザ光を照射する第２の発光素子と、上記第２の発光素子から照射されるレーザ光の上記ラインセンサに対する照射領域が上記複数の受光素子に亘って順次拡大するように横切るスリット部材と、上記ラインセンサを上記反射光の光軸に対して上記複数の受光素子の配列方向に相対的に移動させる移動機構と、選択された上記対物レンズの上記試料に対する焦点合わせがされた状態における、上記第２の発光素子から出射されたレーザ光に照射されている上記複数の受光素子及び該複数の受光素子の受光光量を上記選択された対物レンズに対応づけて登録し、再度上記対物レンズを用いる際に、上記登録値を基に、上記ラインセンサの位置を制御する制御部とを備える。
【００１５】
また、本発明に係る電子機器は、倍率の異なる複数の対物レンズから選択された一つの対物レンズを介して試料にレーザ光を照射する第１の発光素子と、複数の受光素子が相隣接して配列され、上記複数の受光素子の一部で上記試料からの反射光を受光するラインセンサと、上記複数の受光素子の他の一部にレーザ光を照射する第２の発光素子と、上記第２の発光素子から照射されるレーザ光の上記ラインセンサに対する照射領域が上記複数の受光素子に亘って順次拡大するように横切るスリット部材と、上記ラインセンサを反射光の光軸に対して上記複数の受光素子の配列方向に相対的に移動させる移動機構と、選択された上記対物レンズの上記試料に対する焦点合わせがされた状態における、上記第２の発光素子から出射されたレーザ光に照射されている上記複数の受光素子及び該複数の受光素子の受光光量を上記選択された対物レンズに対応づけて登録し、再度上記対物レンズを用いる際に、上記登録値を基に、上記ラインセンサの位置を制御する制御部とを備えた自動焦点制御ユニットを有する。
【００１６】
また、本発明に係る自動焦点制御方法は、選択可能に設けられた倍率の異なる複数の対物レンズ毎に、第１の発光素子から照射されたレーザ光が試料に焦点を結ぶラインセンサの基準位置において、上記ラインセンサの一端側に設けられ、上記試料からの反射光が入射する複数の受光素子と、上記ラインセンサの他端側に設けられ、第２の発光素子から照射されたレーザ光の受光領域がスリット部材を介して漸次拡大された複数の受光素子とを基準素子として登録するとともに、上記ラインセンサの他端側に設けられた基準素子の受光光量を基準信号として登録する工程と、選択された対物レンズに応じて、上記基準素子及び上記基準信号に基づいて、上記ラインセンサを上記基準位置に移動させる工程と、上記基準位置に移動された上記ラインセンサの一端側に設けられた上記基準素子に、上記選択された対物レンズを介して上記試料に照射されたレーザ光の反射光が、等量入射するように、上記対物レンズ又は上記試料を上記対物レンズの光軸方向に移動させる工程とを有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、予め、選択された対物レンズに対応した基準位置にラインセンサが移動されているため、試料に対して、対物レンズの焦点が大きく外れることがなく、迅速な焦点合わせを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る自動焦点制御ユニット、電子機器及び自動焦点制御方法が適用された顕微鏡１について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
顕微鏡１は、図１に示すように、倍率の異なる複数の対物レンズ２を備えた対物レンズユニット１０と、検査試料３に照射されたレーザ光の反射光が入射されるとともに撮像素子４が設けられる撮像ユニット１１と、対物レンズ２を介して検査試料３に対して照明用の光を照射する照明ユニット１２と、検査試料３に対する対物レンズ２の焦点検出を行う自動焦点制御ユニット１３と、自動焦点制御ユニット１３の検出結果に応じて対物レンズユニット１０と検査試料３が載置されたステージとの距離を可変する駆動ユニット１４と、自動焦点制御ユニット１３による検出結果に応じて駆動ユニット１４を駆動する制御部１５とを備える。
【００２０】
かかる顕微鏡１は、対物レンズユニット１０が回転することにより、検査試料３や検査部位に応じて倍率の異なる複数の対物レンズ２を切り換えて用いることができ、かつ、自動焦点制御ユニット１３によって、切り換えられた対物レンズ２に応じた焦点検出を行うものである。
【００２１】
対物レンズユニット１０は、図１に示すように、倍率の異なる複数の対物レンズ２ａ，２ｂ・・・と、対物レンズ２が取り付けられるレボルバ２０と、レボルバ２０を回転可能に支持するレボルバ支持部２１と、レボルバ２０に形成された取付孔のいずれに対物レンズ２が取り付けられているかを検出する図示しない検出部とを有する。レボルバ２０は、外周面に対物レンズ２を固定する取付孔が複数形成され、倍率の異なる複数の対物レンズ２ａ，２ｂ・・・が取り付けられている。レボルバ支持部２１は、レボルバ２０を支持することにより、対物レンズ２を顕微鏡１の光路上に移動させるものであり、レボルバ２０を回転させる回転モータ機構が内蔵されている。また、レボルバ支持部２１は、照明ユニット１２に接続されるとともに、駆動ユニット１４が取り付けられている。
【００２２】
かかる対物レンズユニット１０は、レボルバ２０が自動又は手動で回転されることにより、一つの対物レンズ２の光軸が顕微鏡１の光路上に合致された状態で支持される。このとき対物レンズユニット１０は、選択された対物レンズ２がステージと対向され、所望の倍率でステージ上に載置された検査試料３の観察を行うことができる。
【００２３】
撮像ユニット１１は、対物レンズユニット１０と対向配置され、後述する照明ユニット１２及び自動焦点制御ユニット１３より光路分岐された観察光学系が構成されるものであり、集光レンズ群が内蔵された鏡筒部２５と、ＣＣＤ等の撮像素子２７が内蔵されたカメラ部２６とを有する。撮像ユニット１１は、カメラ部２６によって検査試料３の映像信号を生成し、図示しないモニタ等に出力する。
【００２４】
照明ユニット１２は、照明用光源３０から所定の光量の光を出射して、検査試料３を照らし、撮像ユニット１１による観察を可能とするものである。照明ユニット１２は、鏡筒３１内に、第１のレンズ３２と、開口絞り３３と、第２のレンズ３４と、照明用ミラー３５とを有し、これらが同一の光軸上に配設されている。
【００２５】
照明ユニット１２は、照明用光源３０から出射された光が第１のレンズ３２で集光され、開口絞り３３を介して第２のレンズ３４に入射される。第２のレンズ３４に入射した光は、所定のスポット径とされ照明用ミラー３５で対物レンズユニット１０側に反射されて、検査試料３に照射される。
【００２６】
次いで、自動焦点制御ユニット１３について、図２及び図３を用いて説明する。なお、図２は自動焦点制御ユニット１３の一実施例であり、図３は自動焦点制御ユニット１３の構成を示す概略図である。図２及び図３に示すように、自動焦点制御ユニット１３は、焦点制御用の出射レーザ光Ｌ１を照射する照射部４０と、照射部４０から出射され検査試料３によって反射された反射レーザ光Ｌ２を検出する光検出部４１とを有する。
【００２７】
照射部４０は、出射レーザ光Ｌ１を発光する第１の発光素子４２と、この第１の発光素子４２が発光した出射レーザ光Ｌ１の少なくとも一部を遮光するナイフエッジミラー４３と、第１の発光素子４２が発光した出射レーザ光Ｌ１の発散角を変換して平行光とするコリメータレンズ４４と、コリメータレンズ４４を透過した出射レーザ光Ｌ１を対物レンズユニット１０側に反射するダイクロイックミラー４５とを有する。
【００２８】
第１の発光素子４２は、例えば半導体レーザダイオードが用いられる。ナイフエッジミラー４３は、エッジ部が第１の発光素子４２が発光した出射レーザ光Ｌ１及び検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２の光軸上に配設されている。ナイフエッジミラー４３は、第１の発光素子４２と対向する面がレーザ光を透過させない遮蔽面とされ、出射レーザ光Ｌ１の略５５％を遮蔽する。また、ナイフエッジミラー４３は、第１の発光素子４２と対向する遮蔽面と反対側の面がミラー面とされ、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２を全て光検出部４１側へ反射する。
【００２９】
ダイクロイックミラー４５は、コリメータレンズ４４によって平行光とされた出射レーザ光Ｌ１を対物レンズユニット１０側に反射させる。また、ダイクロイックミラー４５は、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２をナイフエッジミラー４３側に反射させるとともに、撮像ユニット１１側に透過させる。
【００３０】
ナイフエッジミラー４３によって反射された反射レーザ光Ｌ２を検出する光検出部４１は、受光素子が複数配列されたラインセンサ４７と、ラインセンサ４７を受光素子の配列方向に亘ってスライドさせるスライド機構４８と、ラインセンサ４７に形成された受光素子のうちの一部にＬＥＤ光を照射する第２の発光素子４９と、第２の発光素子４９によるラインセンサ４７上の照射領域を規制するスリット部材５０とを備える。
【００３１】
ラインセンサ４７は、略矩形状の受光素子が複数配列されてなり、各受光素子のそれぞれに入射する光量を検出する。そして、後述するようにラインセンサ４７は、制御部１５において、所定の受光素子による受光光量に基づいてフォーカスエラー信号が生成され、駆動ユニット１４が駆動されてフォーカシング制御が行われる。またラインセンサ４７は、対物レンズ２に応じて、スリット部材５０を介してＬＥＤ光が入射される所定の受光素子の光量が記録され、対物レンズ２が切り換えられる度に、切り換えられた対物レンズ２に応じて記録された所定の受光素子及び受光光量に基づき、スライド機構４８によって所定位置にスライドされる。
【００３２】
かかるラインセンサ４７は、例えば図２に示すように、スライダ５１上に形成されることにより、反射レーザ光Ｌ２の光軸に対して直交する図２中矢印Ｓ方向及び反矢印Ｓ方向へスライド可能とされている。スライダ５１は、光検出部４１を構成する筐体にスライド自在に支持されるとともに、スライド方向の一端側にスプリング５２が当接され、常時図２中矢印Ｓ方向に付勢されている。また、スライダ５１は、スプリング５２の付勢方向に、スライド機構４８のレバー部材５５が当接される当接部５３が形成されている。そしてスライダ５１は、レバー部材５５が揺動されることにより、矢印Ｓ方向又は反矢印Ｓ方向にスライドされる。
【００３３】
ラインセンサ４７をスライドさせるスライド機構４８は、例えば図２に示すピエゾアクチュエータ５４と、レバー部材５５とを備える。ピエゾアクチュエータ５４は、制御部１５によって対物レンズ２に応じてラインセンサ４７をスライドさせるために必要な電圧が印加される。レバー部材５５は、光検出部４１の筐体に回動自在に支持されるとともに、一端をピエゾアクチュエータ５４と当接され、他端をスライダ５１の当接部５３に当接されている。レバー部材５５は、当接部５５を介してスプリング５２の付勢力を受けて、常時図２中矢印Ｒ方向へ回動付勢されている。
【００３４】
かかるスライド機構４８は、ピエゾアクチュエータ５４が伸張されると、スプリング５２の付勢力に対抗してレバー部材５５が反矢印Ｒ方向へ回動され、スライダ５１を反矢印Ｓ方向へスライドさせる。また、スライド機構４８は、ピエゾアクチュエータ５４が伸縮されると、スプリング５２の付勢力を受けてスライダ５１を矢印Ｓ方向へスライドさせるとともに、レバー部材５５が矢印Ｒ方向へ回動される。これにより、スライド機構４８は、ラインセンサ４７を反射レーザ光Ｌ２の光軸と直交する方向へスライドさせ、対物レンズ２に応じて、反射レーザ光Ｌ２がラインセンサの所定の受光素子に入射する基準位置に移動させることができる。
【００３５】
また、光検出部４１は、ラインセンサ４７に対向して、ラインセンサ４７の複数の受光素子にＬＥＤ光を照射する第２の発光素子４９と、第２の発光素子４９による照射領域を規制するスリット部材５０が配設されている。第２の発光素子４９は、例えば発光ダイオードが用いられる。スリット部材５０は、図４に示すように、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２が入射する受光素子が形成されたラインセンサ４７の一端４７ａ側とは反対側の他端４７ｂ側に設けられた複数の受光素子に、第２の発光素子４９から出射されたＬＥＤ光を照射させる開口部５７が形成されている。
【００３６】
開口部５７は、他端４７ｂ側に配列された複数の受光素子の照射領域を、配列方向に亘って順番に漸次拡大させる斜辺５７ａが形成されている。斜辺５７ａは、他端４７ｂ側に配列された受光素子のうち、少なくとも３つ以上の受光素子を斜めに横切る。したがって、図５に示すように、開口部５７を介して第２の発光素子４９と対向されたラインセンサ４７の受光素子は、配列方向に沿ってＬＥＤ光の照射領域が増加し、検出される光量が階段状に増加する。光検出部４１は、スリット部材５０を介して第２の発光素子４９のＬＥＤ光が照射される所定の受光素子と、これら所定の受光素子の入射光量から、ラインセンサ４７のスリット部材５０に対する位置を判別することができる。
【００３７】
自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズユニット１０に設けられた対物レンズ２毎に、出射レーザ光Ｌ１が検査試料３に焦点を結ぶことにより、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２がラインセンサ４７の一端４７ａ側に配列された所定の受光素子に等量入射する基準位置が設定される。そして自動焦点制御ユニット１３は、この基準位置において、第２の発光素子４９から照射されるＬＥＤ光がラインセンサ４７の他端４７ｂ側に配列された所定の受光素子及びこれら所定の受光素子の第２の発光素子４９からの入射光量を、基準素子及び基準電圧として登録する。
【００３８】
そして、自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズ２が切り換えられると、当該切り換え られた対物レンズ２に対応したラインセンサ４７の基準位置を、登録された基準素子及び基準信号を基に決定する。ラインセンサ４７は、基準素子が基準信号の電圧レベルとなるまでスライド機構４８によってスライドされることにより、自動的に基準位置に移動される。
【００３９】
具体的に、自動焦点制御ユニット１３は、一つの対物レンズ２を介して検査試料３に出射レーザ光Ｌ１が焦点を結ぶことにより、ラインセンサ４７の一端４７ａ側に配列された２つの受光素子ｎ，ｎ＋１が、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２が均等に受光する位置を基準位置とし、かかるラインセンサ４７の基準位置を対物レンズユニット１０に設けられた各対物レンズ２ａ，２ｂ・・毎に決定する（図４）。図５に示すように、各基準位置において、対物レンズ２ａ，２ｂ・・・は、いずれも検査試料３に対して合焦され、２つの受光素子ｎ，ｎ＋１は、反射レーザ光Ｌ２が等量入射し、電圧レベルＶｎ，Ｖｎ＋１は等しい。
【００４０】
また自動焦点制御ユニット１３は、これら各基準位置におけるラインセンサ４７の他端４７ｂに配列され、スリット部材５０の開口部５７を介して第２の発光素子４９のＬＥＤ光が照射される複数の受光素子ｓ，ｓ＋１，ｓ＋２・・・と、これら各受光素子ｓ，ｓ＋１，ｓ＋２・・・の受光光量の電圧レベルＶｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・を得る。このとき、複数の受光素子ｓ，ｓ＋１，ｓ＋２・・・は、受光光量Ｖｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・が階段状に増加する。
【００４１】
そして、自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズユニット１０において対物レンズ２ａを選択したときに反射レーザ光Ｌ２が等量入射した２つの受光素子ｎ、ｎ＋１の素子番号と階段状の信号が得られた受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・の素子番号とを、対物レンズ２ａに対応する基準素子として登録し、且つ受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・において検出された階段状の電圧レベルＶｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・を対物レンズ２ａに対応する基準信号として登録する。
【００４２】
かかる基準素子及び基準信号の登録は、オペレータによって対物レンズ２毎に検査試料３に対する焦点合わせが行われ、合焦時における基準素子及び基準信号が計測され、図示しない制御コントローラ内に設けられたメモリに登録されることにより行われる。そして、自動焦点制御ユニット１３は、次回以降、同じ対物レンズ２ａを選択し検査試料３に対する焦点合わせを行なう場合は、対物レンズ２ａに対応して予め登録された基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・が、基準信号Ｖｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・を計測するまでラインセンサ４７をスライド機構４８によってスライドさせ、常にラインセンサ４７を対物レンズ２ａに対応した基準位置に保持する。
【００４３】
自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズ２ｂその他全ての対物レンズ２についても、同様に、基準素子及び基準信号を登録する。基準素子及び基準信号の電圧レベルは、対物レンズ２毎に異なっていてもよく、同じであってもよい。
【００４４】
このとき、対物レンズ２ａから対物レンズ２ｂに切り換えることにより、図６（ａ）及び（ｃ）に示すように、光軸ずれが発生した場合、切り換えられた対物レンズ２ｂに対応する基準素子である受光素子ｎ、ｎ＋１に対しずれた位置に反射レーザ光Ｌ２が入射される。この場合、２つの基準素子ｎ、ｎ＋１が均等に反射レーザ光Ｌ２を受光するようにスライド機構４８によりラインセンサ４７を受光素子の配列方向にスライドさせ、自動で位置調整を行なう。
【００４５】
そして、図６（ｂ）に示す対物レンズ２ｂが検査試料３に対して合焦された基準位置において、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２が等量入射する受光素子ｎ，ｎ＋１及び第２の発光素子４９のＬＥＤ光が照射される複数の受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・の素子番号を、対物レンズ２ｂに対応する基準素子として登録し、また受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・において検出された信号Ｖｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・を対物レンズ２ｂに対応する基準信号として登録する。
【００４６】
そして、自動焦点制御ユニット１３は、次回以降、対物レンズ２ｂを選択し検査試料３に対する焦点合わせを行なう場合は、対物レンズ２ｂに対応して予め登録された基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・が、基準信号Ｖｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・を計測するまでラインセンサ４７をスライド機構４８によってスライドさせ、常にラインセンサ４７を対物レンズ２ｂに対応した基準位置に保持する。
【００４７】
これにより、自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズ２を切り換えることにより光軸ずれや色収差が発生した場合にも、予めかかる光軸ずれや色収差が補正された基準位置にラインセンサ４７を自動的にスライドさせ、高速且つ確実に焦点合わせを行うことができる。
【００４８】
顕微鏡１は、自動焦点制御ユニット１３によって、選択された対物レンズ２に対応した基準位置にラインセンサ４７を保ちながら、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２が基準素子ｎ，ｎ＋１に等量入射するように、検査試料３が載置されたステージ又は対物レンズユニット１０を駆動ユニット１４によって焦点合わせ方向、すなわち対物レンズ２の光軸方向に移動させることにより自動的に焦点合わせを行う。
【００４９】
かかる自動焦点合わせは、制御部１５によって、基準素子ｎ，ｎ＋１の反射レーザ光Ｌ２の受光光量をモニタし、フォーカスサーボ信号を生成、駆動ユニット１４にフィードバックすることにより行う。具体的に、ラインセンサ４７は、図７（ａ）に示すように、基準素子ｎ，ｎ＋１のそれぞれに入射する光量を検出する。そして、ラインセンサ４７では、制御部１５において、図７（ｂ）に示すように、基準素子ｎの信号から基準素子ｎ＋１の信号の差分を取る。このようにＳ字カーブとして得られる、いわゆるフォーカスエラー信号に基づいて、制御部１５が対物レンズ２を駆動させる。
【００５０】
この自動焦点制御ユニット１３では、図５に示したように、対物レンズ２と検査試料３とが焦点距離にあって、受光素子ｎ及び受光素子ｎ＋１上に入射する光量が等量となるように、駆動ユニット１４によって、対物レンズユニット１０を対物レンズ２の光軸方向へ駆動させる。すなわち、この自動焦点制御ユニット１０では、制御部１５によって、図７（ｂ）中ＪＦで示す受光素子ｎ及び受光素子ｎ＋１の各受光光量の減算値がゼロの値を示す点（ゼロクロス点）で対物レンズユニット１０を停止するように、駆動ユニット１４が制御される。
【００５１】
受光素子ｎ及び受光素子ｎ＋１における各受光光量の減算値がプラスの場合は、ジャストフォーカスＪＦ点よりも焦点が上にあるとして、ジャストフォーカスＪＦ点を目指し、下方に対物レンズユニット１０を移動させる。また受光素子ｎ及び受光素子ｎ＋１の各受光素子における受光光量の減算値がマイナスの場合は、ジャストフォーカスＪＦ点よりも焦点が下にあるとして、ジャストフォーカスＪＦ点を目指し、上方に対物レンズユニット１０を移動させる。
【００５２】
このとき、顕微鏡１は、自動焦点制御ユニット１３によって予め選択された対物レンズ２に対応した基準位置にラインセンサ４７が移動されているため、検査試料３に対して、対物レンズ２の焦点が大きく外れることがなく、迅速な焦点合わせを行うことができる。
【００５３】
以上のように、自動焦点制御ユニット１３により焦点合わせが行われた顕微鏡１は、照明ユニット１２により検査試料３に対して照明用の光が照射され、この光を用いて撮像ユニット５にて検査試料３を結像する。
【００５４】
次いで、かかる自動焦点制御ユニット１３を用いて検査試料３の検査工程について説明する。先ず、対物レンズユニット１０に設けられている対物レンズ２ａ，２ｂ・・・毎に、検査試料３に焦点合わせがなされた際に、反射レーザ光Ｌ２がラインセンサ４７の一端４７ａ側に設けられた複数の受光素子に等量入射する基準位置を設定する。自動焦点制御ユニット１３は、この基準位置におけるラインセンサ４７の一端側に設けられ、反射レーザ光Ｌ２が等量入射する複数の受光素子ｎ，ｎ＋１と、ラインセンサ４７の他端４７ｂ側に設けられ、第２の発光素子４９から出射されたＬＥＤ光の照射領域がスリット部材５０によって漸次拡大する複数の受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・とを、選択された対物レンズに対応する基準素子として内蔵メモリに登録する。また、自動焦点制御ユニット１３は、基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・の受光光量を検出し、電圧レベルを基準信号として内蔵メモリに登録する。
【００５５】
この基準素子及び基準信号の登録工程は、オペレータによって検査試料３に焦点を結ぶように対物レンズユニット１０が駆動され、焦点を結んだ際に、受光素子ｎ，ｎ＋１に反射レーザ光Ｌ２が等量入射する位置をラインセンサ４７の基準位置として設定する。そして、この基準位置における受光素子ｎ，ｎ＋１と、第２の発光素子４９のＬＥＤ光を受光する受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・を基準素子として登録し、基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・の受光光量を基準信号として内蔵メモリに登録する。
【００５６】
自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズユニット１０に設けられている対物レンズ２ａ，２ｂ・・・毎に、ラインセンサ４７の基準位置における基準素子及び基準信号を設定した後、検査試料３の観察を行う。顕微鏡１は、検査試料３が大判の場合、アライメントマークの検出時には低倍率の対物レンズ２を選択し、検査試料３の特定の箇所を観察する時には高倍率の対物レンズ２を用いるなど、対物レンズ２が切り換えて用いられる。
【００５７】
そして自動焦点制御ユニット１３は、切り換えられた対物レンズ２に応じて予め設定した基準素子及び基準信号から、ラインセンサ４７を基準位置にスライドさせる。これにより、自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズ２の切り換えによって光軸ずれや色収差が発生した場合にも、自動焦点合わせを高速且つ確実に行うことができる。
【００５８】
基準位置へのスライドは、基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・が基準信号の電圧レベルを有するように、スライド機構４８によってスライダ５１を矢印Ｓ方向又は反矢印Ｓ方向へスライドさせることにより行う。これにより、ラインセンサ４７は、反射レーザ光Ｌ２の光軸方向と直交する受光素子の配列方向にスライドされ、基準素子ｎ，ｎ＋１に跨って反射レーザ光Ｌ２が入射する。
【００５９】
次いで、基準素子ｎ，ｎ＋１に反射レーザ光Ｌ２が等量入射するように、駆動ユニット１４が対物レンズユニット１０を駆動する。顕微鏡１は、自動焦点制御ユニット１３によって基準素子ｎ，ｎ＋１の受光光量が検出され、この検出値を基に制御部１５によってフォーカスエラー信号が生成される。そして、顕微鏡１は、フォーカスエラー信号に基づいて駆動ユニット１４が対物レンズユニット１０を焦点合わせ方向、すなわち対物レンズ２の光軸方向に移動させる。顕微鏡１は、基準素子ｎ，ｎ＋１の受光光量が等量となるまで対物レンズユニット１０が移動されることにより、検査試料３に対する焦点合わせが完了する。
【００６０】
その後、顕微鏡１は、対物レンズ２が切り換えられると、上記と同様にラインセンサ４７を基準位置までスライドさせ、基準素子ｎ，ｎ＋１の受光光量が等量となるまで対物レンズユニット１０を昇降させる。
【００６１】
なお、自動焦点制御ユニット１３は、検査試料３に対して対物レンズユニット１０が移動して検査箇所を変更あるいは移動していくトレース動作中においても、焦点合わせを保つことで、移動後あるいは移動中の測定や検査を速やかに行うことができる。トレース動作中において、自動焦点制御ユニット１３は、選択された対物レンズ２に対応して予め登録された基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・の基準信号の電圧をモニタし、当該基準信号との差をキャンセルするようにラインセンサ４７をスライドさせ、基準位置を保つ。そして、自動焦点制御ユニット１３は、このラインセンサ４７の基準位置を保ちながら、トレースされている検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２を基準素子ｎ，ｎ＋１にて等量受光するように、対物レンズユニット１０を駆動ユニット１４にて、対物レンズ２の光軸方向に移動させる。これにより、自動焦点制御ユニット１３は、トレース動作中においても、自動で焦点合わせを行うことができる。
【００６２】
ここで、スリット部材５０は、ラインセンサ４７の他端４７ｂに配列された受光素子のうち、５つ以上に第２の発光素子４９のＬＥＤ光が照射されるように、開口部５７及びその斜辺５７ａが形成されている。そして、基準信号を検出する受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２として、ＬＥＤ光が照射された受光素子の両側を除いた３つ、例えば真ん中の３つを選択し、選択された３つの受光素子が検出した信号Ｖｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２を基準信号として登録する。これにより、スリット部材５０の開口部５７のエッジ部分における入射光量のばらつきが発生した場合にも、安定した基準信号の検出を行い、確実にラインセンサ４７を基準位置に移動させることができる。
【００６３】
また、スリット部材５０は、開口部５７をラインセンサ４７の他端４７ｂ側の受光素子よりも大きく開口されている。すなわち、図４に示すように、ラインセンサ４７の他端４７ｂ側の受光素子は、開口部５７を介して全面に亘って第２の発光素子４９と対峙され、全面に亘ってＬＥＤ光が入射される。かかる全面照射される受光素子が、上述した入射光量が漸次増大する受光素子と隣接して複数設けられることにより、当該全面照射される受光素子の受光光量を測定することで、第２の発光素子４９が照射するＬＥＤ光が所定のパワーであることを確認することができる。
【００６４】
かかるスリット部材５０は、例えばラインセンサ４７の各受光素子が長手方向の長さ２００μｍ、幅５４．５μｍとし、各受光素子間のピッチ９μｍとして形成され、一端４７ａから他端４７ｂまで素子番号１〜１２８の受光素子が配列されたラインセンサ４７を用いる場合、開口部５７の斜辺５７ａが３５°に設定されている。
【００６５】
また、自動焦点制御ユニット１３に配設されているナイフエッジミラー４３は、図８に示すように第１の発光素子４２から照射される出射レーザ光Ｌ１を半分強（約５５％）遮蔽し、約４５％の出射レーザ光Ｌ１をコリメータレンズ４４側へ入射させている。これは、光路分割部材であるナイフエッジミラー４３により光束の半分を遮蔽した際、対物レンズ２を切り換えることにより光軸ずれがあると、図６（ｃ）に示すように、半導体レーザダイオードを用いる第１の発光素子４２に対し、検査試料３により反射された反射レーザ光Ｌ２が入射することがある。そして、第１の発光素子４２に反射レーザ光Ｌ２が入射すると、出射レーザ光Ｌ１が共振されて、レーザ出力を不安定にさせ、その結果、自動焦点合わせに支障をきたすおそれがある。
【００６６】
そこで、自動焦点制御ユニット１３は、光路分割部材であるナイフエッジミラー４３により光束の半分強（約５５％）を遮蔽し、遮蔽されない約４５％の出射レーザ光Ｌ１をコリメータレンズ４４へ入射させている。これにより、自動焦点制御ユニット１３は、光軸ずれがあった場合でも第１の発光素子４２に対し、検査試料３により反射された反射レーザ光Ｌ２が入射することを防止でき、自動焦点合わせを正確かつ確実に行うことができる。
【００６７】
また、自動焦点制御ユニット１３は、図９に示すように、第１の発光素子４２から照射される出射レーザ光Ｌ１の光路上に、直交方向に互いに異なる屈折力を有する光学手段として一対のシリンドリカルレンズ６０，６１を配してもよい。シリンドリカルレンズ６０，６１を用いることにより、自動焦点制御ユニット１３は、検査試料３に入射する出射レーザ光Ｌ１を略楕円形状に整形することができ、検査試料３の段差エッジの影響を最小に抑えることができる。
【００６８】
すなわち、検査試料３として、例えば半導体ウェハのようにパターンが形成された表面に出射レーザ光Ｌ１を照射すると、パターン形成による段差エッジによって出射レーザ光Ｌ１が散乱し、反射レーザ光Ｌ２の光量が不足する。これにより、ラインセンサ４７による反射ＬＥＤ光Ｌ２の受光光量が不足し、焦点合わせの精度に影響を及ぼす虞がある。そこで、自動焦点制御ユニット１３は、シリンドリカルレンズ６０，６１を用いて楕円形状のレーザ光を生成し、検査試料３に照射することで、段差エッジによる散乱の影響を最小に抑えることができる。
【００６９】
図９に示すように、自動焦点制御ユニット１３は、シリンドリカルレンズ６０を第１の発光素子４２とナイフエッジミラー４３との間に配し、シリンドリカルレンズ６１をナイフエッジミラー４３のミラー面とラインセンサ４７との間に配している。
【００７０】
シリンドリカルレンズ６０は、第１の発光素子４２から出射された出射レーザ光Ｌ１に非点収差を生じさせることにより円形状のスポットから楕円形状に変形させる。長孔状に変形された出射レーザ光Ｌ１は、ナイフエッジミラー４３によって半分強（５５％）程度遮蔽され、残りがコリメータレンズ４４に入射される。その後、上述したように、出射レーザ光Ｌ１は、ダイクロイックミラー４５によって対物レンズユニット１０側へ反射され、検査試料３に照射される。このとき、検査試料３に照射される出射レーザ光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ６０によって楕円形状とされている。
【００７１】
検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２は、ダイクロイックミラー４５を透過して観察光学系を構成する撮像ユニット１１に入射するとともに、ダイクロイックミラー４５及びナイフエッジミラー４３のミラー面にて反射され、シリンドリカルレンズ６１に入射する。反射レーザ光Ｌ２は、再度シリンドリカルレンズに入射することにより、楕円形状から再度円形状のスポットに変形されてラインセンサ４７に受光される。自動焦点制御ユニット１３は、上述したとおり、ラインセンサ４７の基準素子ｎ，ｎ＋１に入射する反射レーザ光Ｌ２の受光光量を検出する。また制御部１５は、基準素子ｎ，ｎ＋１に入射する反射レーザ光Ｌ２の受光光量が等量となるように駆動ユニット１４を制御し、対物レンズユニット１０又は検査試料３が搭載されたステージを光軸方向に移動させることにより、自動で焦点合わせを行う。
【００７２】
なお、自動焦点制御ユニット１３は、図１０に示すように、シリンドリカルレンズ６２を一つだけ配置してもよく、またナイフエッジミラー４３とコリメータレンズ４４との間に配してもよい。この場合、図１１に示すように、ラインセンサ４７の基準素子ｎ，ｎ＋１に入射する反射レーザ光Ｌ２は、受光素子の配列方向と直交する方向を長手方向とする楕円形状を結ぶ。このときも、反射レーザ光Ｌ２がラインセンサ４７の受光素子外まで照射されることがなければ自動焦点制御に用いる光量としては十分であり、制御部１５は、基準素子ｎ，ｎ＋１に入射する反射レーザ光Ｌ２の光量が等しくなるように駆動ユニット１４を制御し、対物レンズユニット１０又は検査試料３が搭載されたステージを光軸方向に移動させることにより、自動で焦点合わせを行う。
【００７３】
なお、本発明に係る自動焦点制御ユニット及び自動焦点制御方法は、その適用が光学顕微鏡に限定されるものではなく、例えば、深度測定装置等の光学電子機器やレーザ加工機の自動焦点制御ユニットに適用することも可能である。
【００７４】
また、本発明に係る自動焦点制御ユニットは、従来から用いられている標準的な顕微鏡等の電子機器に組み込んで用いることができる。
【００７５】
また、ラインセンサ４７をスライドさせるスライド機構４８は、ピエゾアクチュエータ５４を用いる構成に限らず、受光素子の配列方向に沿ってスライドさせるあらゆる機構を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】顕微鏡の構成を示す概略図である。
【図２】自動焦点制御ユニットの一実施例を示す断面図である。
【図３】自動焦点制御ユニットの基本構成を示す概略図である。
【図４】光検出部を示す図である。
【図５】ラインセンサによって検出された受光光量を示すグラフである。
【図６】対物レンズの切換によって光軸ずれが発生した状態における自動焦点制御ユニットを示す図であり、（ａ）はラインセンサ上で光軸が右側へずれた場合、（ｂ）はラインセンサ上で光軸ずれが発生しない場合、（ｃ）はラインセンサ上で光軸が左側へずれた場合を示す。
【図７】基準素子によって検出された反射レーザ光の受光光量を示すグラフである。
【図８】ナイフエッジミラーによって半分強の出射レーザ光が遮蔽されている自動焦点制御ユニットの状態を示す図である。
【図９】一対のシリンドリカルレンズを配した自動焦点制御ユニットの構成を示す概略図である。
【図１０】一つのシリンドリカルレンズを配した自動焦点制御ユニットの構成を示す概略図である。
【図１１】一つのシリンドリカルレンズを配した自動焦点制御ユニットにおける光検出部を示す図である。
【図１２】従来の焦点制御ユニットを示す概略図である。
【図１３】対物レンズを切り換えた従来の焦点制御ユニットを示す概略図である。
【符号の説明】
【００７７】
１ 顕微鏡、２ 対物レンズ、３ 検査試料、１０ 対物レンズユニット、１１ 撮像ユニット、１２ 照明ユニット、１３ 自動焦点制御ユニット、１４ 駆動ユニット、１５ 制御部、２０ レボルバ、２１ レボルバ支持部、４０ 照射部、４１ 光検出部、４２ 第１の発光素子、４３ ナイフエッジミラー、４４ コリメータレンズ、４５ ダイクロイックミラー、４７ ラインセンサ、４８ スライド機構、４９ 第２の発光素子、５０ スリット部材、５１ スライダ、５２ スプリング、５４ ピエゾアクチュエータ、５５ レバー部材、５７ 開口部、５７ａ 斜辺、６０〜６２ シリンドリカルレンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査試料と対物レンズとの位置を調整することにより自動的に焦点を制御する自動焦点制御ユニット及び自動焦点制御方法に関し、特に、複数の対物レンズを切り換えて使用する際に、対物レンズに応じて焦点合わせを行うことができる自動焦点制御ユニット、電子機器及び自動焦点制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学顕微鏡や深度測定機等の光学機器の分野において、観察する検査試料に自動的に焦点を合わせるための装置として、オートフォーカス装置が用いられている。
【０００３】
このオートフォーカス装置には、検査試料に対してレーザ光を照射し、このレーザ光が検査試料上で反射してなる反射レーザ光を検出し、この反射レーザ光により検査試料との位置関係を測定し、自動的に焦点を合わせるものがある。このオートフォーカス装置は、フォトダイオード等の光検出器を備え、この光検出器で反射レーザ光を検出する。
【０００４】
このようなオートフォーカス装置が光学顕微鏡等に用いられる場合、レーザ光は、光源から照射され、対物レンズを介して検査試料に照射される。対物レンズを介して照射されたレーザ光は、検査試料上で反射レーザ光となり、再び対物レンズを介して光検出器に照射される。
【０００５】
反射レーザ光は、光検出器上に、検査試料と対物レンズとの距離に応じたスポットを形成する。このオートフォーカス装置が搭載された光学顕微鏡では、反射レーザ光が光検出器上の所定の位置にスポットを形成するように対物レンズを移動させる。これによって、この光学顕微鏡では、焦点合わせが行われる。
【０００６】
顕微鏡等に使用される焦点検出方法としては、例えば、ナイフエッジ法、差動スポットサイズ法、非点収差法、横ずらし法、フーコー法と呼ばれる方法が知られており、その中でもナイフエッジ法を用いた手法が一般的に用いられている。
【０００７】
ナイフエッジ法は、ナイフエッジミラーと２分割受光素子を用いて自動焦点合わせを行う焦点検出手法であり、例えば、図１２に示すように半導体レーザダイオード１０２より出射されたレーザ光をナイフエッジミラー１０５によって光束の約半分程度を遮蔽した後、コリメータレンズ１０６及び対物レンズ１０１を介して検査試料１０３に照射し、検査試料１０３からの反射レーザ光をナイフエッジミラー１０５のミラー面によって２分割受光素子１０４側へ反射させる。２分割受光素子１０４は、対物レンズ１０１が検査試料１０３の表面に対して焦点合わせがなされているときには、反射レーザ光が２分割受光素子１０４を構成する２つの受光部に等量入射するように予め位置決めされている。
【０００８】
検査試料１０３に焦点が合っていない場合、検査試料１０３からの反射レーザ光は、２分割受光素子１０４への入射位置がずれ、２分割受光素子１０４を構成する２つの受光素子からの出力に差が生じる。従って、ナイフエッジ法では、これら２つの受光素子からの出力が等量となる位置に検査試料１０３又は対物レンズ１０１を光軸方向へ移動させることにより、検査試料１０３に対する焦点合わせを実現している。
【０００９】
ところで、近年、ＬＣＤパネルや電子デバイス等は、微細な回路パターンが形成されるとともに、基板の大判化が進み、その製造工程や検査工程では、高速且つ正確に検査対象領域を特定し、焦点合わせを行うことへの要求が高まっている。そこで、顕微鏡による部品検査では、倍率の異なる複数の対物レンズを備え、大判の検査試料に対してアライメントマークの検出時には低倍率の対物レンズを用い、検査試料の所定領域の観察には高倍率の対物レンズを用いるなど、観察部位の位置や状態などにより対物レンズを切り換えて用いるものが提案されている。
【００１０】
しかし、ナイフエッジ法を用いた焦点検出方法においては、対物レンズ１０１を切り換えることにより光軸ずれや色収差が発生した場合、図１３に示すように２分割受光素子１０４に入射する位置がずれてしまうため、対物レンズ１０１毎に２分割受光素子１０４からの出力に補正値を加える等の工夫が必要となる。
【００１１】
また、色収差を補正する手法として、色収差補正レンズを光軸方向に移動させ色収差特性が異なる対物レンズに交換した場合にも合焦誤差を補正できるようにした焦点制御方法も提案されているが、かかる手法では、色収差補正レンズを光軸ずれが発生することなく移動させる手段が必要であり、高精度な組立が要求される。また、光学部品を増やすことで焦点検出装置としてのコストアップに繋がるだけではなく、焦点検出装置の構成が大型化することとなり、従来からの標準的な顕微鏡に対して焦点検出装置を搭載することが困難となってしまう。
【００１２】
【特許文献１】特開平１０−１６１１９５号公報
【特許文献２】特開平１１−２４９０２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明は、対物レンズを切り換えることにより発生する光軸ずれ及び色収差を補正し、高速且つ正確に焦点合わせを行うことができる自動焦点制御ユニット及びそれを備えた電子機器、自動焦点制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決するために、本発明に係る自動焦点制御ユニットは、倍率の異なる複数の対物レンズから選択された一つの対物レンズを介して試料にレーザ光を照射する第１の発光素子と、複数の受光素子が相隣接して配列され、上記複数の受光素子の一部で上記試料からの反射光を受光するラインセンサと、上記複数の受光素子の他の一部にレーザ光を照射する第２の発光素子と、上記第２の発光素子から照射されるレーザ光の上記ラインセンサに対する照射領域が上記複数の受光素子に亘って順次拡大するように横切るスリット部材と、上記ラインセンサを上記反射光の光軸に対して上記複数の受光素子の配列方向に相対的に移動させる移動機構と、選択された上記対物レンズの上記試料に対する焦点合わせがされた状態における、上記第２の発光素子から出射されたレーザ光に照射されている上記複数の受光素子及び該複数の受光素子の受光光量を上記選択された対物レンズに対応づけて登録し、再度上記対物レンズを用いる際に、上記登録値を基に、上記ラインセンサの位置を制御する制御部とを備える。
【００１５】
また、本発明に係る電子機器は、倍率の異なる複数の対物レンズから選択された一つの対物レンズを介して試料にレーザ光を照射する第１の発光素子と、複数の受光素子が相隣接して配列され、上記複数の受光素子の一部で上記試料からの反射光を受光するラインセンサと、上記複数の受光素子の他の一部にレーザ光を照射する第２の発光素子と、上記第２の発光素子から照射されるレーザ光の上記ラインセンサに対する照射領域が上記複数の受光素子に亘って順次拡大するように横切るスリット部材と、上記ラインセンサを反射光の光軸に対して上記複数の受光素子の配列方向に相対的に移動させる移動機構と、選択された上記対物レンズの上記試料に対する焦点合わせがされた状態における、上記第２の発光素子から出射されたレーザ光に照射されている上記複数の受光素子及び該複数の受光素子の受光光量を上記選択された対物レンズに対応づけて登録し、再度上記対物レンズを用いる際に、上記登録値を基に、上記ラインセンサの位置を制御する制御部とを備えた自動焦点制御ユニットを有する。
【００１６】
また、本発明に係る自動焦点制御方法は、選択可能に設けられた倍率の異なる複数の対物レンズ毎に、第１の発光素子から照射されたレーザ光が試料に焦点を結ぶラインセンサの基準位置において、上記ラインセンサの一端側に設けられ、上記試料からの反射光が入射する複数の受光素子と、上記ラインセンサの他端側に設けられ、第２の発光素子から照射されたレーザ光の受光領域がスリット部材を介して漸次拡大された複数の受光素子とを基準素子として登録するとともに、上記ラインセンサの他端側に設けられた基準素子の受光光量を基準信号として登録する工程と、選択された対物レンズに応じて、上記基準素子及び上記基準信号に基づいて、上記ラインセンサを上記基準位置に移動させる工程と、上記基準位置に移動された上記ラインセンサの一端側に設けられた上記基準素子に、上記選択された対物レンズを介して上記試料に照射されたレーザ光の反射光が、等量入射するように、上記対物レンズ又は上記試料を上記対物レンズの光軸方向に移動させる工程とを有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、予め、選択された対物レンズに対応した基準位置にラインセンサが移動されているため、試料に対して、対物レンズの焦点が大きく外れることがなく、迅速な焦点合わせを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る自動焦点制御ユニット、電子機器及び自動焦点制御方法が適用された顕微鏡１について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
顕微鏡１は、図１に示すように、倍率の異なる複数の対物レンズ２を備えた対物レンズユニット１０と、検査試料３に照射されたレーザ光の反射光が入射されるとともに撮像素子４が設けられる撮像ユニット１１と、対物レンズ２を介して検査試料３に対して照明用の光を照射する照明ユニット１２と、検査試料３に対する対物レンズ２の焦点検出を行う自動焦点制御ユニット１３と、自動焦点制御ユニット１３の検出結果に応じて対物レンズユニット１０と検査試料３が載置されたステージとの距離を可変する駆動ユニット１４と、自動焦点制御ユニット１３による検出結果に応じて駆動ユニット１４を駆動する制御部１５とを備える。
【００２０】
かかる顕微鏡１は、対物レンズユニット１０が回転することにより、検査試料３や検査部位に応じて倍率の異なる複数の対物レンズ２を切り換えて用いることができ、かつ、自動焦点制御ユニット１３によって、切り換えられた対物レンズ２に応じた焦点検出を行うものである。
【００２１】
対物レンズユニット１０は、図１に示すように、倍率の異なる複数の対物レンズ２ａ，２ｂ・・・と、対物レンズ２が取り付けられるレボルバ２０と、レボルバ２０を回転可能に支持するレボルバ支持部２１と、レボルバ２０に形成された取付孔のいずれに対物レンズ２が取り付けられているかを検出する図示しない検出部とを有する。レボルバ２０は、外周面に対物レンズ２を固定する取付孔が複数形成され、倍率の異なる複数の対物レンズ２ａ，２ｂ・・・が取り付けられている。レボルバ支持部２１は、レボルバ２０を支持することにより、対物レンズ２を顕微鏡１の光路上に移動させるものであり、レボルバ２０を回転させる回転モータ機構が内蔵されている。また、レボルバ支持部２１は、照明ユニット１２に接続されるとともに、駆動ユニット１４が取り付けられている。
【００２２】
かかる対物レンズユニット１０は、レボルバ２０が自動又は手動で回転されることにより、一つの対物レンズ２の光軸が顕微鏡１の光路上に合致された状態で支持される。このとき対物レンズユニット１０は、選択された対物レンズ２がステージと対向され、所望の倍率でステージ上に載置された検査試料３の観察を行うことができる。
【００２３】
撮像ユニット１１は、対物レンズユニット１０と対向配置され、後述する照明ユニット１２及び自動焦点制御ユニット１３より光路分岐された観察光学系が構成されるものであり、集光レンズ群が内蔵された鏡筒部２５と、ＣＣＤ等の撮像素子２７が内蔵されたカメラ部２６とを有する。撮像ユニット１１は、カメラ部２６によって検査試料３の映像信号を生成し、図示しないモニタ等に出力する。
【００２４】
照明ユニット１２は、照明用光源３０から所定の光量の光を出射して、検査試料３を照らし、撮像ユニット１１による観察を可能とするものである。照明ユニット１２は、鏡筒３１内に、第１のレンズ３２と、開口絞り３３と、第２のレンズ３４と、照明用ミラー３５とを有し、これらが同一の光軸上に配設されている。
【００２５】
照明ユニット１２は、照明用光源３０から出射された光が第１のレンズ３２で集光され、開口絞り３３を介して第２のレンズ３４に入射される。第２のレンズ３４に入射した光は、所定のスポット径とされ照明用ミラー３５で対物レンズユニット１０側に反射されて、検査試料３に照射される。
【００２６】
次いで、自動焦点制御ユニット１３について、図２及び図３を用いて説明する。なお、図２は自動焦点制御ユニット１３の一実施例であり、図３は自動焦点制御ユニット１３の構成を示す概略図である。図２及び図３に示すように、自動焦点制御ユニット１３は、焦点制御用の出射レーザ光Ｌ１を照射する照射部４０と、照射部４０から出射され検査試料３によって反射された反射レーザ光Ｌ２を検出する光検出部４１とを有する。
【００２７】
照射部４０は、出射レーザ光Ｌ１を発光する第１の発光素子４２と、この第１の発光素子４２が発光した出射レーザ光Ｌ１の少なくとも一部を遮光するナイフエッジミラー４３と、第１の発光素子４２が発光した出射レーザ光Ｌ１の発散角を変換して平行光とするコリメータレンズ４４と、コリメータレンズ４４を透過した出射レーザ光Ｌ１を対物レンズユニット１０側に反射するダイクロイックミラー４５とを有する。
【００２８】
第１の発光素子４２は、例えば半導体レーザダイオードが用いられる。ナイフエッジミラー４３は、エッジ部が第１の発光素子４２が発光した出射レーザ光Ｌ１及び検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２の光軸上に配設されている。ナイフエッジミラー４３は、第１の発光素子４２と対向する面がレーザ光を透過させない遮蔽面とされ、出射レーザ光Ｌ１の略５５％を遮蔽する。また、ナイフエッジミラー４３は、第１の発光素子４２と対向する遮蔽面と反対側の面がミラー面とされ、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２を全て光検出部４１側へ反射する。
【００２９】
ダイクロイックミラー４５は、コリメータレンズ４４によって平行光とされた出射レーザ光Ｌ１を対物レンズユニット１０側に反射させる。また、ダイクロイックミラー４５は、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２をナイフエッジミラー４３側に反射させるとともに、撮像ユニット１１側に透過させる。
【００３０】
ナイフエッジミラー４３によって反射された反射レーザ光Ｌ２を検出する光検出部４１は、受光素子が複数配列されたラインセンサ４７と、ラインセンサ４７を受光素子の配列方向に亘ってスライドさせるスライド機構４８と、ラインセンサ４７に形成された受光素子のうちの一部にＬＥＤ光を照射する第２の発光素子４９と、第２の発光素子４９によるラインセンサ４７上の照射領域を規制するスリット部材５０とを備える。
【００３１】
ラインセンサ４７は、略矩形状の受光素子が複数配列されてなり、各受光素子のそれぞれに入射する光量を検出する。そして、後述するようにラインセンサ４７は、制御部１５において、所定の受光素子による受光光量に基づいてフォーカスエラー信号が生成され、駆動ユニット１４が駆動されてフォーカシング制御が行われる。またラインセンサ４７は、対物レンズ２に応じて、スリット部材５０を介してＬＥＤ光が入射される所定の受光素子の光量が記録され、対物レンズ２が切り換えられる度に、切り換えられた対物レンズ２に応じて記録された所定の受光素子及び受光光量に基づき、スライド機構４８によって所定位置にスライドされる。
【００３２】
かかるラインセンサ４７は、例えば図２に示すように、スライダ５１上に形成されることにより、反射レーザ光Ｌ２の光軸に対して直交する図２中矢印Ｓ方向及び反矢印Ｓ方向へスライド可能とされている。スライダ５１は、光検出部４１を構成する筐体にスライド自在に支持されるとともに、スライド方向の一端側にスプリング５２が当接され、常時図２中矢印Ｓ方向に付勢されている。また、スライダ５１は、スプリング５２の付勢方向に、スライド機構４８のレバー部材５５が当接される当接部５３が形成されている。そしてスライダ５１は、レバー部材５５が揺動されることにより、矢印Ｓ方向又は反矢印Ｓ方向にスライドされる。
【００３３】
ラインセンサ４７をスライドさせるスライド機構４８は、例えば図２に示すピエゾアクチュエータ５４と、レバー部材５５とを備える。ピエゾアクチュエータ５４は、制御部１５によって対物レンズ２に応じてラインセンサ４７をスライドさせるために必要な電圧が印加される。レバー部材５５は、光検出部４１の筐体に回動自在に支持されるとともに、一端をピエゾアクチュエータ５４と当接され、他端をスライダ５１の当接部５３に当接されている。レバー部材５５は、当接部５５を介してスプリング５２の付勢力を受けて、常時図２中矢印Ｒ方向へ回動付勢されている。
【００３４】
かかるスライド機構４８は、ピエゾアクチュエータ５４が伸張されると、スプリング５２の付勢力に対抗してレバー部材５５が反矢印Ｒ方向へ回動され、スライダ５１を反矢印Ｓ方向へスライドさせる。また、スライド機構４８は、ピエゾアクチュエータ５４が伸縮されると、スプリング５２の付勢力を受けてスライダ５１を矢印Ｓ方向へスライドさせるとともに、レバー部材５５が矢印Ｒ方向へ回動される。これにより、スライド機構４８は、ラインセンサ４７を反射レーザ光Ｌ２の光軸と直交する方向へスライドさせ、対物レンズ２に応じて、反射レーザ光Ｌ２がラインセンサの所定の受光素子に入射する基準位置に移動させることができる。
【００３５】
また、光検出部４１は、ラインセンサ４７に対向して、ラインセンサ４７の複数の受光素子にＬＥＤ光を照射する第２の発光素子４９と、第２の発光素子４９による照射領域を規制するスリット部材５０が配設されている。第２の発光素子４９は、例えば発光ダイオードが用いられる。スリット部材５０は、図４に示すように、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２が入射する受光素子が形成されたラインセンサ４７の一端４７ａ側とは反対側の他端４７ｂ側に設けられた複数の受光素子に、第２の発光素子４９から出射されたＬＥＤ光を照射させる開口部５７が形成されている。
【００３６】
開口部５７は、他端４７ｂ側に配列された複数の受光素子の照射領域を、配列方向に亘って順番に漸次拡大させる斜辺５７ａが形成されている。斜辺５７ａは、他端４７ｂ側に配列された受光素子のうち、少なくとも３つ以上の受光素子を斜めに横切る。したがって、図５に示すように、開口部５７を介して第２の発光素子４９と対向されたラインセンサ４７の受光素子は、配列方向に沿ってＬＥＤ光の照射領域が増加し、検出される光量が階段状に増加する。光検出部４１は、スリット部材５０を介して第２の発光素子４９のＬＥＤ光が照射される所定の受光素子と、これら所定の受光素子の入射光量から、ラインセンサ４７のスリット部材５０に対する位置を判別することができる。
【００３７】
自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズユニット１０に設けられた対物レンズ２毎に、出射レーザ光Ｌ１が検査試料３に焦点を結ぶことにより、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２がラインセンサ４７の一端４７ａ側に配列された所定の受光素子に等量入射する基準位置が設定される。そして自動焦点制御ユニット１３は、この基準位置において、第２の発光素子４９から照射されるＬＥＤ光がラインセンサ４７の他端４７ｂ側に配列された所定の受光素子及びこれら所定の受光素子の第２の発光素子４９からの入射光量を、基準素子及び基準電圧として登録する。
【００３８】
そして、自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズ２が切り換えられると、当該切り換え られた対物レンズ２に対応したラインセンサ４７の基準位置を、登録された基準素子及び基準信号を基に決定する。ラインセンサ４７は、基準素子が基準信号の電圧レベルとなるまでスライド機構４８によってスライドされることにより、自動的に基準位置に移動される。
【００３９】
具体的に、自動焦点制御ユニット１３は、一つの対物レンズ２を介して検査試料３に出射レーザ光Ｌ１が焦点を結ぶことにより、ラインセンサ４７の一端４７ａ側に配列された２つの受光素子ｎ，ｎ＋１が、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２が均等に受光する位置を基準位置とし、かかるラインセンサ４７の基準位置を対物レンズユニット１０に設けられた各対物レンズ２ａ，２ｂ・・毎に決定する（図４）。図５に示すように、各基準位置において、対物レンズ２ａ，２ｂ・・・は、いずれも検査試料３に対して合焦され、２つの受光素子ｎ，ｎ＋１は、反射レーザ光Ｌ２が等量入射し、電圧レベルＶｎ，Ｖｎ＋１は等しい。
【００４０】
また自動焦点制御ユニット１３は、これら各基準位置におけるラインセンサ４７の他端４７ｂに配列され、スリット部材５０の開口部５７を介して第２の発光素子４９のＬＥＤ光が照射される複数の受光素子ｓ，ｓ＋１，ｓ＋２・・・と、これら各受光素子ｓ，ｓ＋１，ｓ＋２・・・の受光光量の電圧レベルＶｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・を得る。このとき、複数の受光素子ｓ，ｓ＋１，ｓ＋２・・・は、受光光量Ｖｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・が階段状に増加する。
【００４１】
そして、自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズユニット１０において対物レンズ２ａを選択したときに反射レーザ光Ｌ２が等量入射した２つの受光素子ｎ、ｎ＋１の素子番号と階段状の信号が得られた受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・の素子番号とを、対物レンズ２ａに対応する基準素子として登録し、且つ受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・において検出された階段状の電圧レベルＶｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・を対物レンズ２ａに対応する基準信号として登録する。
【００４２】
かかる基準素子及び基準信号の登録は、オペレータによって対物レンズ２毎に検査試料３に対する焦点合わせが行われ、合焦時における基準素子及び基準信号が計測され、図示しない制御コントローラ内に設けられたメモリに登録されることにより行われる。そして、自動焦点制御ユニット１３は、次回以降、同じ対物レンズ２ａを選択し検査試料３に対する焦点合わせを行なう場合は、対物レンズ２ａに対応して予め登録された基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・が、基準信号Ｖｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・を計測するまでラインセンサ４７をスライド機構４８によってスライドさせ、常にラインセンサ４７を対物レンズ２ａに対応した基準位置に保持する。
【００４３】
自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズ２ｂその他全ての対物レンズ２についても、同様に、基準素子及び基準信号を登録する。基準素子及び基準信号の電圧レベルは、対物レンズ２毎に異なっていてもよく、同じであってもよい。
【００４４】
このとき、対物レンズ２ａから対物レンズ２ｂに切り換えることにより、図６（ａ）及び（ｃ）に示すように、光軸ずれが発生した場合、切り換えられた対物レンズ２ｂに対応する基準素子である受光素子ｎ、ｎ＋１に対しずれた位置に反射レーザ光Ｌ２が入射される。この場合、２つの基準素子ｎ、ｎ＋１が均等に反射レーザ光Ｌ２を受光するようにスライド機構４８によりラインセンサ４７を受光素子の配列方向にスライドさせ、自動で位置調整を行なう。
【００４５】
そして、図６（ｂ）に示す対物レンズ２ｂが検査試料３に対して合焦された基準位置において、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２が等量入射する受光素子ｎ，ｎ＋１及び第２の発光素子４９のＬＥＤ光が照射される複数の受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・の素子番号を、対物レンズ２ｂに対応する基準素子として登録し、また受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・において検出された信号Ｖｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・を対物レンズ２ｂに対応する基準信号として登録する。
【００４６】
そして、自動焦点制御ユニット１３は、次回以降、対物レンズ２ｂを選択し検査試料３に対する焦点合わせを行なう場合は、対物レンズ２ｂに対応して予め登録された基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・が、基準信号Ｖｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２・・・を計測するまでラインセンサ４７をスライド機構４８によってスライドさせ、常にラインセンサ４７を対物レンズ２ｂに対応した基準位置に保持する。
【００４７】
これにより、自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズ２を切り換えることにより光軸ずれや色収差が発生した場合にも、予めかかる光軸ずれや色収差が補正された基準位置にラインセンサ４７を自動的にスライドさせ、高速且つ確実に焦点合わせを行うことができる。
【００４８】
顕微鏡１は、自動焦点制御ユニット１３によって、選択された対物レンズ２に対応した基準位置にラインセンサ４７を保ちながら、検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２が基準素子ｎ，ｎ＋１に等量入射するように、検査試料３が載置されたステージ又は対物レンズユニット１０を駆動ユニット１４によって焦点合わせ方向、すなわち対物レンズ２の光軸方向に移動させることにより自動的に焦点合わせを行う。
【００４９】
かかる自動焦点合わせは、制御部１５によって、基準素子ｎ，ｎ＋１の反射レーザ光Ｌ２の受光光量をモニタし、フォーカスサーボ信号を生成、駆動ユニット１４にフィードバックすることにより行う。具体的に、ラインセンサ４７は、図７（ａ）に示すように、基準素子ｎ，ｎ＋１のそれぞれに入射する光量を検出する。そして、ラインセンサ４７では、制御部１５において、図７（ｂ）に示すように、基準素子ｎの信号から基準素子ｎ＋１の信号の差分を取る。このようにＳ字カーブとして得られる、いわゆるフォーカスエラー信号に基づいて、制御部１５が対物レンズ２を駆動させる。
【００５０】
この自動焦点制御ユニット１３では、図５に示したように、対物レンズ２と検査試料３とが焦点距離にあって、受光素子ｎ及び受光素子ｎ＋１上に入射する光量が等量となるように、駆動ユニット１４によって、対物レンズユニット１０を対物レンズ２の光軸方向へ駆動させる。すなわち、この自動焦点制御ユニット１０では、制御部１５によって、図７（ｂ）中ＪＦで示す受光素子ｎ及び受光素子ｎ＋１の各受光光量の減算値がゼロの値を示す点（ゼロクロス点）で対物レンズユニット１０を停止するように、駆動ユニット１４が制御される。
【００５１】
受光素子ｎ及び受光素子ｎ＋１における各受光光量の減算値がプラスの場合は、ジャストフォーカスＪＦ点よりも焦点が上にあるとして、ジャストフォーカスＪＦ点を目指し、下方に対物レンズユニット１０を移動させる。また受光素子ｎ及び受光素子ｎ＋１の各受光素子における受光光量の減算値がマイナスの場合は、ジャストフォーカスＪＦ点よりも焦点が下にあるとして、ジャストフォーカスＪＦ点を目指し、上方に対物レンズユニット１０を移動させる。
【００５２】
このとき、顕微鏡１は、自動焦点制御ユニット１３によって予め選択された対物レンズ２に対応した基準位置にラインセンサ４７が移動されているため、検査試料３に対して、対物レンズ２の焦点が大きく外れることがなく、迅速な焦点合わせを行うことができる。
【００５３】
以上のように、自動焦点制御ユニット１３により焦点合わせが行われた顕微鏡１は、照明ユニット１２により検査試料３に対して照明用の光が照射され、この光を用いて撮像ユニット５にて検査試料３を結像する。
【００５４】
次いで、かかる自動焦点制御ユニット１３を用いて検査試料３の検査工程について説明する。先ず、対物レンズユニット１０に設けられている対物レンズ２ａ，２ｂ・・・毎に、検査試料３に焦点合わせがなされた際に、反射レーザ光Ｌ２がラインセンサ４７の一端４７ａ側に設けられた複数の受光素子に等量入射する基準位置を設定する。自動焦点制御ユニット１３は、この基準位置におけるラインセンサ４７の一端側に設けられ、反射レーザ光Ｌ２が等量入射する複数の受光素子ｎ，ｎ＋１と、ラインセンサ４７の他端４７ｂ側に設けられ、第２の発光素子４９から出射されたＬＥＤ光の照射領域がスリット部材５０によって漸次拡大する複数の受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・とを、選択された対物レンズに対応する基準素子として内蔵メモリに登録する。また、自動焦点制御ユニット１３は、基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・の受光光量を検出し、電圧レベルを基準信号として内蔵メモリに登録する。
【００５５】
この基準素子及び基準信号の登録工程は、オペレータによって検査試料３に焦点を結ぶように対物レンズユニット１０が駆動され、焦点を結んだ際に、受光素子ｎ，ｎ＋１に反射レーザ光Ｌ２が等量入射する位置をラインセンサ４７の基準位置として設定する。そして、この基準位置における受光素子ｎ，ｎ＋１と、第２の発光素子４９のＬＥＤ光を受光する受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・を基準素子として登録し、基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・の受光光量を基準信号として内蔵メモリに登録する。
【００５６】
自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズユニット１０に設けられている対物レンズ２ａ，２ｂ・・・毎に、ラインセンサ４７の基準位置における基準素子及び基準信号を設定した後、検査試料３の観察を行う。顕微鏡１は、検査試料３が大判の場合、アライメントマークの検出時には低倍率の対物レンズ２を選択し、検査試料３の特定の箇所を観察する時には高倍率の対物レンズ２を用いるなど、対物レンズ２が切り換えて用いられる。
【００５７】
そして自動焦点制御ユニット１３は、切り換えられた対物レンズ２に応じて予め設定した基準素子及び基準信号から、ラインセンサ４７を基準位置にスライドさせる。これにより、自動焦点制御ユニット１３は、対物レンズ２の切り換えによって光軸ずれや色収差が発生した場合にも、自動焦点合わせを高速且つ確実に行うことができる。
【００５８】
基準位置へのスライドは、基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・が基準信号の電圧レベルを有するように、スライド機構４８によってスライダ５１を矢印Ｓ方向又は反矢印Ｓ方向へスライドさせることにより行う。これにより、ラインセンサ４７は、反射レーザ光Ｌ２の光軸方向と直交する受光素子の配列方向にスライドされ、基準素子ｎ，ｎ＋１に跨って反射レーザ光Ｌ２が入射する。
【００５９】
次いで、基準素子ｎ，ｎ＋１に反射レーザ光Ｌ２が等量入射するように、駆動ユニット１４が対物レンズユニット１０を駆動する。顕微鏡１は、自動焦点制御ユニット１３によって基準素子ｎ，ｎ＋１の受光光量が検出され、この検出値を基に制御部１５によってフォーカスエラー信号が生成される。そして、顕微鏡１は、フォーカスエラー信号に基づいて駆動ユニット１４が対物レンズユニット１０を焦点合わせ方向、すなわち対物レンズ２の光軸方向に移動させる。顕微鏡１は、基準素子ｎ，ｎ＋１の受光光量が等量となるまで対物レンズユニット１０が移動されることにより、検査試料３に対する焦点合わせが完了する。
【００６０】
その後、顕微鏡１は、対物レンズ２が切り換えられると、上記と同様にラインセンサ４７を基準位置までスライドさせ、基準素子ｎ，ｎ＋１の受光光量が等量となるまで対物レンズユニット１０を昇降させる。
【００６１】
なお、自動焦点制御ユニット１３は、検査試料３に対して対物レンズユニット１０が移動して検査箇所を変更あるいは移動していくトレース動作中においても、焦点合わせを保つことで、移動後あるいは移動中の測定や検査を速やかに行うことができる。トレース動作中において、自動焦点制御ユニット１３は、選択された対物レンズ２に対応して予め登録された基準素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２・・・の基準信号の電圧をモニタし、当該基準信号との差をキャンセルするようにラインセンサ４７をスライドさせ、基準位置を保つ。そして、自動焦点制御ユニット１３は、このラインセンサ４７の基準位置を保ちながら、トレースされている検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２を基準素子ｎ，ｎ＋１にて等量受光するように、対物レンズユニット１０を駆動ユニット１４にて、対物レンズ２の光軸方向に移動させる。これにより、自動焦点制御ユニット１３は、トレース動作中においても、自動で焦点合わせを行うことができる。
【００６２】
ここで、スリット部材５０は、ラインセンサ４７の他端４７ｂに配列された受光素子のうち、５つ以上に第２の発光素子４９のＬＥＤ光が照射されるように、開口部５７及びその斜辺５７ａが形成されている。そして、基準信号を検出する受光素子ｓ、ｓ＋１、ｓ＋２として、ＬＥＤ光が照射された受光素子の両側を除いた３つ、例えば真ん中の３つを選択し、選択された３つの受光素子が検出した信号Ｖｓ，Ｖｓ＋１，Ｖｓ＋２を基準信号として登録する。これにより、スリット部材５０の開口部５７のエッジ部分における入射光量のばらつきが発生した場合にも、安定した基準信号の検出を行い、確実にラインセンサ４７を基準位置に移動させることができる。
【００６３】
また、スリット部材５０は、開口部５７をラインセンサ４７の他端４７ｂ側の受光素子よりも大きく開口されている。すなわち、図４に示すように、ラインセンサ４７の他端４７ｂ側の受光素子は、開口部５７を介して全面に亘って第２の発光素子４９と対峙され、全面に亘ってＬＥＤ光が入射される。かかる全面照射される受光素子が、上述した入射光量が漸次増大する受光素子と隣接して複数設けられることにより、当該全面照射される受光素子の受光光量を測定することで、第２の発光素子４９が照射するＬＥＤ光が所定のパワーであることを確認することができる。
【００６４】
かかるスリット部材５０は、例えばラインセンサ４７の各受光素子が長手方向の長さ２００μｍ、幅５４．５μｍとし、各受光素子間のピッチ９μｍとして形成され、一端４７ａから他端４７ｂまで素子番号１〜１２８の受光素子が配列されたラインセンサ４７を用いる場合、開口部５７の斜辺５７ａが３５°に設定されている。
【００６５】
また、自動焦点制御ユニット１３に配設されているナイフエッジミラー４３は、図８に示すように第１の発光素子４２から照射される出射レーザ光Ｌ１を半分強（約５５％）遮蔽し、約４５％の出射レーザ光Ｌ１をコリメータレンズ４４側へ入射させている。これは、光路分割部材であるナイフエッジミラー４３により光束の半分を遮蔽した際、対物レンズ２を切り換えることにより光軸ずれがあると、図６（ｃ）に示すように、半導体レーザダイオードを用いる第１の発光素子４２に対し、検査試料３により反射された反射レーザ光Ｌ２が入射することがある。そして、第１の発光素子４２に反射レーザ光Ｌ２が入射すると、出射レーザ光Ｌ１が共振されて、レーザ出力を不安定にさせ、その結果、自動焦点合わせに支障をきたすおそれがある。
【００６６】
そこで、自動焦点制御ユニット１３は、光路分割部材であるナイフエッジミラー４３により光束の半分強（約５５％）を遮蔽し、遮蔽されない約４５％の出射レーザ光Ｌ１をコリメータレンズ４４へ入射させている。これにより、自動焦点制御ユニット１３は、光軸ずれがあった場合でも第１の発光素子４２に対し、検査試料３により反射された反射レーザ光Ｌ２が入射することを防止でき、自動焦点合わせを正確かつ確実に行うことができる。
【００６７】
また、自動焦点制御ユニット１３は、図９に示すように、第１の発光素子４２から照射される出射レーザ光Ｌ１の光路上に、直交方向に互いに異なる屈折力を有する光学手段として一対のシリンドリカルレンズ６０，６１を配してもよい。シリンドリカルレンズ６０，６１を用いることにより、自動焦点制御ユニット１３は、検査試料３に入射する出射レーザ光Ｌ１を略楕円形状に整形することができ、検査試料３の段差エッジの影響を最小に抑えることができる。
【００６８】
すなわち、検査試料３として、例えば半導体ウェハのようにパターンが形成された表面に出射レーザ光Ｌ１を照射すると、パターン形成による段差エッジによって出射レーザ光Ｌ１が散乱し、反射レーザ光Ｌ２の光量が不足する。これにより、ラインセンサ４７による反射ＬＥＤ光Ｌ２の受光光量が不足し、焦点合わせの精度に影響を及ぼす虞がある。そこで、自動焦点制御ユニット１３は、シリンドリカルレンズ６０，６１を用いて楕円形状のレーザ光を生成し、検査試料３に照射することで、段差エッジによる散乱の影響を最小に抑えることができる。
【００６９】
図９に示すように、自動焦点制御ユニット１３は、シリンドリカルレンズ６０を第１の発光素子４２とナイフエッジミラー４３との間に配し、シリンドリカルレンズ６１をナイフエッジミラー４３のミラー面とラインセンサ４７との間に配している。
【００７０】
シリンドリカルレンズ６０は、第１の発光素子４２から出射された出射レーザ光Ｌ１に非点収差を生じさせることにより円形状のスポットから楕円形状に変形させる。長孔状に変形された出射レーザ光Ｌ１は、ナイフエッジミラー４３によって半分強（５５％）程度遮蔽され、残りがコリメータレンズ４４に入射される。その後、上述したように、出射レーザ光Ｌ１は、ダイクロイックミラー４５によって対物レンズユニット１０側へ反射され、検査試料３に照射される。このとき、検査試料３に照射される出射レーザ光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ６０によって楕円形状とされている。
【００７１】
検査試料３からの反射レーザ光Ｌ２は、ダイクロイックミラー４５を透過して観察光学系を構成する撮像ユニット１１に入射するとともに、ダイクロイックミラー４５及びナイフエッジミラー４３のミラー面にて反射され、シリンドリカルレンズ６１に入射する。反射レーザ光Ｌ２は、再度シリンドリカルレンズに入射することにより、楕円形状から再度円形状のスポットに変形されてラインセンサ４７に受光される。自動焦点制御ユニット１３は、上述したとおり、ラインセンサ４７の基準素子ｎ，ｎ＋１に入射する反射レーザ光Ｌ２の受光光量を検出する。また制御部１５は、基準素子ｎ，ｎ＋１に入射する反射レーザ光Ｌ２の受光光量が等量となるように駆動ユニット１４を制御し、対物レンズユニット１０又は検査試料３が搭載されたステージを光軸方向に移動させることにより、自動で焦点合わせを行う。
【００７２】
なお、自動焦点制御ユニット１３は、図１０に示すように、シリンドリカルレンズ６２を一つだけ配置してもよく、またナイフエッジミラー４３とコリメータレンズ４４との間に配してもよい。この場合、図１１に示すように、ラインセンサ４７の基準素子ｎ，ｎ＋１に入射する反射レーザ光Ｌ２は、受光素子の配列方向と直交する方向を長手方向とする楕円形状を結ぶ。このときも、反射レーザ光Ｌ２がラインセンサ４７の受光素子外まで照射されることがなければ自動焦点制御に用いる光量としては十分であり、制御部１５は、基準素子ｎ，ｎ＋１に入射する反射レーザ光Ｌ２の光量が等しくなるように駆動ユニット１４を制御し、対物レンズユニット１０又は検査試料３が搭載されたステージを光軸方向に移動させることにより、自動で焦点合わせを行う。
【００７３】
なお、本発明に係る自動焦点制御ユニット及び自動焦点制御方法は、その適用が光学顕微鏡に限定されるものではなく、例えば、深度測定装置等の光学電子機器やレーザ加工機の自動焦点制御ユニットに適用することも可能である。
【００７４】
また、本発明に係る自動焦点制御ユニットは、従来から用いられている標準的な顕微鏡等の電子機器に組み込んで用いることができる。
【００７５】
また、ラインセンサ４７をスライドさせるスライド機構４８は、ピエゾアクチュエータ５４を用いる構成に限らず、受光素子の配列方向に沿ってスライドさせるあらゆる機構を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】顕微鏡の構成を示す概略図である。
【図２】自動焦点制御ユニットの一実施例を示す断面図である。
【図３】自動焦点制御ユニットの基本構成を示す概略図である。
【図４】光検出部を示す図である。
【図５】ラインセンサによって検出された受光光量を示すグラフである。
【図６】対物レンズの切換によって光軸ずれが発生した状態における自動焦点制御ユニットを示す図であり、（ａ）はラインセンサ上で光軸が右側へずれた場合、（ｂ）はラインセンサ上で光軸ずれが発生しない場合、（ｃ）はラインセンサ上で光軸が左側へずれた場合を示す。
【図７】基準素子によって検出された反射レーザ光の受光光量を示すグラフである。
【図８】ナイフエッジミラーによって半分強の出射レーザ光が遮蔽されている自動焦点制御ユニットの状態を示す図である。
【図９】一対のシリンドリカルレンズを配した自動焦点制御ユニットの構成を示す概略図である。
【図１０】一つのシリンドリカルレンズを配した自動焦点制御ユニットの構成を示す概略図である。
【図１１】一つのシリンドリカルレンズを配した自動焦点制御ユニットにおける光検出部を示す図である。
【図１２】従来の焦点制御ユニットを示す概略図である。
【図１３】対物レンズを切り換えた従来の焦点制御ユニットを示す概略図である。
【符号の説明】
【００７７】
１ 顕微鏡、２ 対物レンズ、３ 検査試料、１０ 対物レンズユニット、１１ 撮像ユニット、１２ 照明ユニット、１３ 自動焦点制御ユニット、１４ 駆動ユニット、１５ 制御部、２０ レボルバ、２１ レボルバ支持部、４０ 照射部、４１ 光検出部、４２ 第１の発光素子、４３ ナイフエッジミラー、４４ コリメータレンズ、４５ ダイクロイックミラー、４７ ラインセンサ、４８ スライド機構、４９ 第２の発光素子、５０ スリット部材、５１ スライダ、５２ スプリング、５４ ピエゾアクチュエータ、５５ レバー部材、５７ 開口部、５７ａ 斜辺、６０〜６２ シリンドリカルレンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
倍率の異なる複数の対物レンズから選択された一つの対物レンズを介して試料にレーザ光を照射する第１の発光素子と、
複数の受光素子が相隣接して配列され、上記複数の受光素子の一部で上記試料からの反射光を受光するラインセンサと、
上記複数の受光素子の他の一部にレーザ光を照射する第２の発光素子と、
上記第２の発光素子から照射されるレーザ光の上記ラインセンサに対する照射領域が上記複数の受光素子に亘って順次拡大するように横切るスリット部材と、
上記ラインセンサを上記反射光の光軸に対して上記複数の受光素子の配列方向に相対的に移動させる移動機構と、
選択された上記対物レンズの上記試料に対する焦点合わせがされた状態における、上記第２の発光素子から出射されたレーザ光に照射されている上記複数の受光素子及び該複数の受光素子の受光光量を上記選択された対物レンズに対応づけて登録し、再度上記対物レンズを用いる際に、上記登録値を基に、上記ラインセンサの位置を制御する制御部とを備える自動焦点制御ユニット。
【請求項２】
上記対物レンズの上記試料に対する焦点合わせがされた状態において、上記ラインセンサの相隣接した２つの受光素子に跨って反射光が等量照射される請求項１記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項３】
上記制御部は、倍率の異なる複数の対物レンズのそれぞれについて、上記試料に対する焦点合わせがされた状態における上記スリット部材を介して上記第２の発光素子に照射される上記複数の受光素子及び受光光量を登録し、上記各対物レンズの切換時に、上記各対物レンズに応じた登録値を基に、上記スリット部材に対する上記ラインセンサの位置を制御する請求項１記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項４】
上記第１の発光素子と上記対物レンズの間には、ナイフエッジミラーが配設されている請求項１記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項５】
上記制御部は、選択された一つの対物レンズについて上記試料に対する焦点合わせがされた状態において、上記試料からの反射光を等量受光する相隣接した２つの受光素子を登録し、再度上記対物レンズを用いる際に、上記検出された複数の受光素子に反射光が等量入射するように、上記対物レンズ又は試料を、上記対物レンズの光軸方向へ移動させる請求項４記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項６】
上記ナイフエッジミラーは、上記第１の発光素子から出射したレーザ光の略５５％を遮蔽する請求項４記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項７】
上記スリット部材は、上記ラインセンサの上記受光素子の配列方向に対して略３５°の傾きを有する請求項１記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項８】
上記第１の発光素子と上記試料との間の光路上には、シリンドリカルレンズが配設されている請求項１記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項９】
倍率の異なる複数の対物レンズから選択された一つの対物レンズを介して試料にレーザ光を照射する第１の発光素子と、
複数の受光素子が相隣接して配列され、上記複数の受光素子の一部で上記試料からの反射光を受光するラインセンサと、
上記複数の受光素子の他の一部にレーザ光を照射する第２の発光素子と、
上記第２の発光素子から照射されるレーザ光の上記ラインセンサに対する照射領域が上記複数の受光素子に亘って順次拡大するように横切るスリット部材と、
上記ラインセンサを反射光の光軸に対して上記複数の受光素子の配列方向に相対的に移動させる移動機構と、
選択された上記対物レンズの上記試料に対する焦点合わせがされた状態における、上記第２の発光素子から出射されたレーザ光に照射されている上記複数の受光素子及び該複数の受光素子の受光光量を上記選択された対物レンズに対応づけて登録し、再度上記対物レンズを用いる際に、上記登録値を基に、上記ラインセンサの位置を制御する制御部とを備えた自動焦点制御ユニット
を有する電子機器。
【請求項１０】
選択可能に設けられた倍率の異なる複数の対物レンズ毎に、第１の発光素子から照射されたレーザ光が試料に焦点を結ぶラインセンサの基準位置において、上記ラインセンサの一端側に設けられ、上記試料からの反射光が入射する複数の受光素子と、上記ラインセンサの他端側に設けられ、第２の発光素子から照射されたレーザ光の受光領域がスリット部材を介して漸次拡大された複数の受光素子とを基準素子として登録するとともに、上記ラインセンサの他端側に設けられた基準素子の受光光量を基準信号として登録する工程と、
選択された上記対物レンズに応じて、上記基準素子及び上記基準信号に基づいて、上記ラインセンサを上記基準位置に移動させる工程と、
上記基準位置に移動された上記ラインセンサの一端側に設けられた上記基準素子に、上記選択された対物レンズを介して上記試料に照射されたレーザ光の反射光が、等量入射するように、上記対物レンズ又は上記試料を上記対物レンズの光軸方向に移動させる工程とを有する自動焦点制御方法。
【請求項１】
倍率の異なる複数の対物レンズから選択された一つの対物レンズを介して試料にレーザ光を照射する第１の発光素子と、
複数の受光素子が相隣接して配列され、上記複数の受光素子の一部で上記試料からの反射光を受光するラインセンサと、
上記複数の受光素子の他の一部にレーザ光を照射する第２の発光素子と、
上記第２の発光素子から照射されるレーザ光の上記ラインセンサに対する照射領域が上記複数の受光素子に亘って順次拡大するように横切るスリット部材と、
上記ラインセンサを上記反射光の光軸に対して上記複数の受光素子の配列方向に相対的に移動させる移動機構と、
選択された上記対物レンズの上記試料に対する焦点合わせがされた状態における、上記第２の発光素子から出射されたレーザ光に照射されている上記複数の受光素子及び該複数の受光素子の受光光量を上記選択された対物レンズに対応づけて登録し、再度上記対物レンズを用いる際に、上記登録値を基に、上記ラインセンサの位置を制御する制御部とを備える自動焦点制御ユニット。
【請求項２】
上記対物レンズの上記試料に対する焦点合わせがされた状態において、上記ラインセンサの相隣接した２つの受光素子に跨って反射光が等量照射される請求項１記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項３】
上記制御部は、倍率の異なる複数の対物レンズのそれぞれについて、上記試料に対する焦点合わせがされた状態における上記スリット部材を介して上記第２の発光素子に照射される上記複数の受光素子及び受光光量を登録し、上記各対物レンズの切換時に、上記各対物レンズに応じた登録値を基に、上記スリット部材に対する上記ラインセンサの位置を制御する請求項１記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項４】
上記第１の発光素子と上記対物レンズの間には、ナイフエッジミラーが配設されている請求項１記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項５】
上記制御部は、選択された一つの対物レンズについて上記試料に対する焦点合わせがされた状態において、上記試料からの反射光を等量受光する相隣接した２つの受光素子を登録し、再度上記対物レンズを用いる際に、上記検出された複数の受光素子に反射光が等量入射するように、上記対物レンズ又は試料を、上記対物レンズの光軸方向へ移動させる請求項４記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項６】
上記ナイフエッジミラーは、上記第１の発光素子から出射したレーザ光の略５５％を遮蔽する請求項４記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項７】
上記スリット部材は、上記ラインセンサの上記受光素子の配列方向に対して略３５°の傾きを有する請求項１記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項８】
上記第１の発光素子と上記試料との間の光路上には、シリンドリカルレンズが配設されている請求項１記載の自動焦点制御ユニット。
【請求項９】
倍率の異なる複数の対物レンズから選択された一つの対物レンズを介して試料にレーザ光を照射する第１の発光素子と、
複数の受光素子が相隣接して配列され、上記複数の受光素子の一部で上記試料からの反射光を受光するラインセンサと、
上記複数の受光素子の他の一部にレーザ光を照射する第２の発光素子と、
上記第２の発光素子から照射されるレーザ光の上記ラインセンサに対する照射領域が上記複数の受光素子に亘って順次拡大するように横切るスリット部材と、
上記ラインセンサを反射光の光軸に対して上記複数の受光素子の配列方向に相対的に移動させる移動機構と、
選択された上記対物レンズの上記試料に対する焦点合わせがされた状態における、上記第２の発光素子から出射されたレーザ光に照射されている上記複数の受光素子及び該複数の受光素子の受光光量を上記選択された対物レンズに対応づけて登録し、再度上記対物レンズを用いる際に、上記登録値を基に、上記ラインセンサの位置を制御する制御部とを備えた自動焦点制御ユニット
を有する電子機器。
【請求項１０】
選択可能に設けられた倍率の異なる複数の対物レンズ毎に、第１の発光素子から照射されたレーザ光が試料に焦点を結ぶラインセンサの基準位置において、上記ラインセンサの一端側に設けられ、上記試料からの反射光が入射する複数の受光素子と、上記ラインセンサの他端側に設けられ、第２の発光素子から照射されたレーザ光の受光領域がスリット部材を介して漸次拡大された複数の受光素子とを基準素子として登録するとともに、上記ラインセンサの他端側に設けられた基準素子の受光光量を基準信号として登録する工程と、
選択された上記対物レンズに応じて、上記基準素子及び上記基準信号に基づいて、上記ラインセンサを上記基準位置に移動させる工程と、
上記基準位置に移動された上記ラインセンサの一端側に設けられた上記基準素子に、上記選択された対物レンズを介して上記試料に照射されたレーザ光の反射光が、等量入射するように、上記対物レンズ又は上記試料を上記対物レンズの光軸方向に移動させる工程とを有する自動焦点制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−２５８１７７（Ｐ２００９−２５８１７７Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０３９８４（Ｐ２００８−１０３９８４）
【出願日】平成２０年４月１１日（２００８．４．１１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１１日（２００８．４．１１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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